今日Nature:多齒配體處理實現混合鹵化物鈣鈦礦LEDs的帶隙穩定性工程

CYM 2年前 (2021-03-04) 3574瀏覽

【引言】

金屬鹵化鉛鈣鈦礦作為一種很有前途的發光半導體，帶隙可以通過幾種方法來調節，例如在納米晶和二維鈣鈦礦中的量子限制，或者通過改變ABX₃鈣鈦礦化學計量中的鹵化物組成，其中A是有機銨或堿金屬陽離子，B是14組金屬陽離子（通常是鉛），X₃是鹵化陰離子。使用碘化物和溴化物離子的混合物，在接近統一的光致發光量子產率（PLQY）的情況下，可以獲得紅色發射在615nm到640nm之間的納米晶。然而，這些納米晶體在光激發和電偏置的應用上都容易受到鹵化物偏析的影響。盡管付出了很多努力，但混合鹵化物鈣鈦礦納米晶的顏色穩定電致紅色發光尚未實現。最近的研究表明，鹵化物偏析是通過空位和間隙缺陷的擴散而發生的。在通過實驗測量的混合鹵化物鈣鈦礦薄膜和通過計算研究的純碘化物系統中，鹵化物缺陷似乎會遷移到晶界或晶體表面。對于多晶薄膜，通過用堿金屬鹵化物或較大的有機銨陽離子鈍化晶界，提高了帶隙穩定性和器件效率。對于納米晶體，由于納米晶的高比表面積和體積比，界面鈍化尤其重要。

鑒于此，英國牛津大學Henry J. Snaith和Yasser Hassan，美國俄勒岡州立大學Cathy Y. Wong以及韓國釜山大學Bo Ram Lee（共同通訊作者）報告了使用多齒配體處理混合鹵化物鈣鈦礦納米晶體和配體來抑制電致發光操作下的鹵化物偏析。具體來講，作者采用一種改進的配體輔助再沉淀方法合成了MAPb(I_xBr_1-x)₃納米晶（其中MA是甲基銨）。純化后，再使用配體乙二胺四乙酸（EDTA）和還原的L-谷胱甘肽處理納米晶體。研究表明，本文展示了顏色穩定的紅色發射，中心波長為620 nm，電致發光量子效率為20.3％，配體處理的關鍵功能是通過去除鉛原子來“清潔”納米晶體表面。密度泛函理論計算表明，配體與納米晶體表面之間的結合抑制了碘弗侖克爾缺陷的形成，進而抑制了鹵化物的偏析。同時，本文的工作例證了金屬鹵化物鈣鈦礦的功能性如何對（納米）晶體表面的性質極為敏感，并提出了控制表面缺陷形成和遷移的途徑。這對于實現發光的帶隙穩定性至關重要，并且對需要帶隙穩定性的其他光電應用（例如光伏）也可能產生更廣泛的影響。相關研究成果以“Ligand-engineered bandgap stability in mixed-halide?perovskite LEDs”為題發表在Nature上。